(57)【要約】【課題】光吸収損失が小さく、入射方向に関係なく広い角度トレランスを有する、耐熱性および耐光性に優れた偏光素子を提供する。【解決手段】偏光素子は、それぞれが面内方向に透過軸を有し、該透過軸が互いに交差するように対向して配置された、無機物よりなる偏光子１、２と、偏光子１、２の間に設けられ、入射した直線偏光の偏光方向を回転させる、無機物よりなる１／２波長板３と、を有する。偏光子１、２はそれぞれ、偏光方向が透過軸と平行な光を透過させ、偏光方向が透過軸と直交する光を反射する周期構造を有する。偏光子１側から見た場合に、１／２波長板３の遅軸または速軸は、偏光子１の透過軸および偏光子２の透過軸の間に位置する。【選択図】図１
2013007829.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
それぞれが面内方向に透過軸を有し、該透過軸が互いに交差するように対向して配置された、無機物よりなる第１および第２の偏光子と、
前記第１および第２の偏光子の間に設けられ、入射した直線偏光の偏光方向を回転させる、無機物よりなる波長板と、を有し、
前記第１および第２の偏光子はそれぞれ、偏光方向が前記透過軸と平行な光を透過させ、偏光方向が前記透過軸と直交する光を反射する周期構造を有し、
前記第１または第２の偏光子の側から見た場合に、前記波長板の遅軸または速軸は、前記第１の偏光子の前記透過軸および前記第２の偏光子の前記透過軸の間に位置する、偏光素子。
【請求項２】
前記第１および第２の偏光子の前記周期構造は、屈折率が異なる複数の誘電体層を交互に積層した積層部を有し、前記積層の面内方向に構造の周期的変化を有することを特徴とする、請求項１に記載の偏光素子。
【請求項３】
前記波長板の遅軸方向および速軸方向の屈折率をそれぞれｎx、ｎyとするとき、前記波長板の厚さが所定の波長λに対してλ（ｎx−ｎy）で与えられる、請求項１または２に記載の偏光素子。
【請求項４】
前記波長板は、一軸性の無機結晶よりなる、請求項１から３のいずれか１項に記載の偏光素子。
【請求項５】
前記波長板は、誘電体よりなり、前記誘電体の積層面内方向に構造の周期的変化を有する、請求項１から３のいずれか１項に記載の偏光素子。
【請求項６】
前記第１または第２の偏光子側から見た場合に、前記第１および第２の偏光子の前記透過軸が互いに直交し、前記波長板の遅軸または速軸が前記第１または第２の偏光子の前記透過軸と４５°で交差する、請求項１から５のいずれか１項に記載の偏光素子。
【請求項７】
発光部を備え、該発光部からの光が表面より出射される発光素子と、
前記発光素子の前記表面と対向する位置に設けられた、請求項１から６のいずれか１項に記載の偏光素子と、を有し、
前記発光素子は、前記発光部の前記表面とは反対の側に、前記発光部側から入射した光を前記発光部側へ反射する反射手段を有する、光源ユニット。
【請求項８】
前記発光素子と前記偏光素子との間に１/４波長板をさらに有することを特徴とする、請求項７に記載の光源ユニット。
【請求項９】
前記発光素子と前記偏光素子との間に、前記発光素子から出射された光の方向を変更する角度フィルタを有することを特徴とする請求項７に記載の光源ユニット。
【請求項１０】
前記発光素子における前記偏光素子と対向する面の少なくとも一部に凹凸形状を有することを特徴とする請求項７に記載の光源ユニット。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＬＥＤ（Light Emitting Diode）などの固体光源から出射された光の偏光方向を揃える偏光素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
最近の液晶プロジェクタには、液晶パネルを照明するための光源としてＬＥＤを用いたものがある。液晶プロジェクタでは、偏光を液晶パネルに照射する必要があるが、ＬＥＤからの光は非偏光であるため、光利用効率の低下を防ぐためには、偏光変換を行う必要がある。非偏光の偏光方向を揃える方法として、ＰＣＳ（Ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ  Ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ  Ｓｙｓｔｅｍ）と呼ばれる偏光ビームスプリッターと波長板からなる偏光変換素子をＬＥＤの出射面と対向する位置に配置する構成が知られている。しかし、本構成はエテンデューを増加させるため、やはり光利用効率の低下を招く。そこで、エテンデューを増大することなく偏光変換を行うことが可能な偏光ＬＥＤが提案されている。これはＬＥＤの出射面側近傍に反射型偏光子を配置するものである。図６に、そのような偏光子を備えた偏光ＬＥＤの構成を示す。
【０００３】
図６に示すように、サブマウント１００上に、反射層１０１、Ｐ型層１０２、活性層１０３、ｎ型層１０４が順に積層されており、この積層構造部によりＬＥＤが構成されている。反射層１０１は、電極を兼ねる。サブマウント１００側がＬＥＤの裏面であり、ｎ型層１０４側がＬＥＤの表面である。
【０００４】
偏光素子は、λ／４板１０５および偏光子１０６よりなる。偏光子１０６は、ＬＥＤのｎ型層１０４の面と対向する位置に設けられている。λ／４板１０５は、偏光子１０６のＬＥＤ側の面に設けられている。
【０００５】
偏光子１０６は、積層部の周期方向（ｘ方向）に透過軸を有する。ｘｚ面に平行な偏光成分をＴＭ波（またはＴＭ偏光）と呼び、ｙｚ面に平行な偏光成分をＴＥ波（またはＴＥ偏光）と呼ぶ。ここで、ｘｚ面は、入射面に垂直でかつ透過軸と平行な面であり、ｙｚ面は、入射面に垂直でかつ透過軸と直交する面である。偏光子１０６は、ＴＭ偏光を透過させ、ＴＥ偏光を反射する特性を有する。
【０００６】
上記の偏光ＬＥＤでは、活性層１０３から光（無偏光光）が全方位に放出される。活性層１０３からＬＥＤの表面側に向かう光は、ｎ型層１０４の表面から出射される。一方、活性層１０３からＬＥＤの裏面側へ向かう光は、反射層１０１にて活性層１０３側の方向に反射される。この反射光は、ｐ型層１０２、活性層１０３を順に通過してｎ型層１０４の表面から出射される。
【０００７】
ＬＥＤの表面から出射された光は、λ／４板１０５を介して偏光子１０６に入射する。偏光子１０６に入射した光のうち、ＴＭ偏光は偏光子１０６を通過し、ＴＥ偏光は偏光子１０６にてＬＥＤ側に向けて反射される。
【０００８】
偏光子１０６で反射されたＴＥ偏光は、λ／４板１０５を通過し、ＬＥＤの表面に入射する。ＬＥＤの表面に入射した光は、一部が表面で反射されるが、ほとんどの光は、ＬＥＤ内に入射する。
【０００９】
ＬＥＤ内に入射した光は、ｎ型層１０４、活性層１０３、ｐ型層１０２を順に通過する。ｐ型層１０２を通過した光は、反射層１０１によって活性層１０３側の方向に反射される。この反射光は、ｐ型層１０２、活性層１０３、ｎ型層１０４を順に通過してＬＥＤの表面から出射される。
【００１０】
偏光子１０６で反射されたＴＥ偏光のうち、ＬＥＤへ戻る過程と、反射層１０１で反射されて偏光子１０６へ向かう過程とにおいて、１／４波長板を２回通過したものが、ＴＭ偏光に変換されて偏光子１０６を通過する。このように、偏光子１０６で反射されたＴＥ偏光の一部を再利用することができるので、光利用効率が向上する。
【００１１】
このような偏光ＬＥＤにおいては、高い光強度および高い光密度の条件下で偏光子および波長板を使用する必要があるため、耐熱性および耐光性に優れた材料、例えば無機物よりなる偏光子が用いられている。
【００１２】
例えば、上記偏光子１０６は、誘電体微細構造を有する。誘電体微細構造は、屈折率の異なる複数の誘電体膜を交互に積層した積層部を所定の間隔（波長以下の間隔）で周期的に形成したものである。本素子は無機物である誘電体で構成されているため、高い耐熱性および耐光性を有している。
【００１３】
あるいは、偏光子１０６として、金属ワイヤーを所定の間隔（波長以下の間隔）で周期的に形成したワイヤグリッド構造の偏光子を用いることも可能である。
【００１４】
なお、上記のような原理による光利用効率の向上は、液晶ディスプレイなどの分野では既に実用化されている。この場合には、偏光板は光源の直近ではなく、導光板の出射面上に配置されるため、偏光子に入射する光の密度が低い。このため反射型偏光素子としてはＤＢＥＦなどの有機材料からなるフィルムの積層体が用いられている。反射型偏光子であるＤＢＥＦ、２次光源である導光板および反射フィルムを順に配置することにより、先に述べた偏光ＬＥＤと同様の原理により偏光の再利用がなされる。実際の利用形態としては、これらの光学部品の他に、正面方向に光を集めるＢＥＦなどのプリズムシートも同時に用いられる。
【００１５】
また、特許文献１には上記の反射型偏光子とプリズムシートの両者の機能を備える偏光素子が記載されている。この偏光素子は、面内位相差に比べて厚み方向に大きな位相差を有する波長板と、この波長板を挟んで対向配置された２つの反射偏光子とから構成されている。この構成により、互いに直交する第１、第２の偏光のうち、第１の偏光は入射角にかかわらず反射し、第２の偏光は入射角が小さいもののみ透過し、入射角は大きいものを反射するという機能を実現している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１６】
【特許文献１】特開２００４−０２９７４３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１７】
図６に示した偏光素子１０６においては、特定の入射方向に対する角度トレランスが小さいため、ＬＥＤと組み合わせた場合の光利用効率が低下する場合がある。ここで、偏光子の角度トレランスとは、十分な偏光分離特性を維持することができる入射角度の許容度を示す。
【００１８】
以下、上記の光利用効率の低下の問題について、具体的に説明する。
【００１９】
図７Ａに、ｘｚ面内方向における入射角の変化に対するＴＭ偏光およびＴＥ偏光それぞれの透過率の変化を示し、図７Ｂに、ｙｚ面内方向における入射角の変化に対するＴＭ偏光およびＴＥ偏光それぞれの透過率の変化を示す。
【００２０】
図７Ａおよび図７Ｂにおいて、縦軸は、透過率（正規化した値）を示し、横軸は、入射角を示す。図７Ａにおいて、黒丸の折れ線はＴＥ偏光を示し、黒の菱形の折れ線はＴＭ偏光を示す。図７Ｂにおいて、黒丸の折れ線はＴＭ偏光を示し、黒の菱形の折れ線はＴＥ偏光を示す。
【００２１】
図７Ａに示すように、ｘｚ面内方向において、偏光子１０６は、全ての入射角範囲の入射光に対して、ＴＥ偏光を十分に反射することができる。ＴＭ光の透過率は７０°よりも大きい入射角範囲ではやや低下するものの、この範囲で反射されたＴＭ光は再利用が可能であるため、偏光子における直接的な損失にはならない。
【００２２】
一方、図７Ｂに示すように、ｙｚ面内方向においては、偏光子１０６は、入射角が０°〜４０°の範囲内の入射光に対して、ＴＭ偏光とＴＥ偏光を十分に分離することができるが、入射角が４０°を超えると、ＴＥ偏光の透過率が急激に増大する。
【００２３】
すなわち、図７Ａおよび図７Ｂに示した特性によれば、偏光子１０６は、ＴＭ偏光に対しては、入射方向に関係なく、広い角度トレランスを有するが、ＴＥ偏光に対しては、ｙｚ面内方向における入射角の変化に対して、十分な角度トレランスを有しておらず、ｙｚ面内方向における入射角が大きなＴＥ偏光はそのまま偏光子１０６を透過してしまう。
【００２４】
ＬＥＤ表面からの出射光のうち、どの範囲の出射角（表面の垂線と出射光線とのなす角度）までが利用できるかは、液晶パネルなどのライトバルブや投射レンズのエテンデューによって決まるが、ここでは例として０°〜６０°の範囲内の出射光が利用できる場合を考える。この場合、偏光子１０６は、少なくとも入射角が０°〜６０°の範囲内の入射光について、ＴＭ偏光とＴＥ偏光を十分に分離するという条件を満たす必要がある。
【００２５】
しかし、図７Ｂに示した特性によれば、ｙｚ面内方向において、偏光子１０６は、入射角が０°〜６０°の範囲内の入射光のうち、入射角が４０°〜６０°の範囲のＴＥ偏光を透過する。この偏光子１０６を透過したＴＥ偏光については再利用することができないため、ＬＥＤと組み合わせた場合の光利用効率が低下する。
【００２６】
一方、金属ワイヤーを所定の間隔（波長以下の間隔）で周期的に形成したワイヤグリッド構造の偏光子を用いた偏光ＬＥＤにおいては、ワイヤグリッド偏光子がいずれの方向に対しても広い角度トレランスを有するため、上記のような問題は生じない。しかし、金属ワイヤーによる光吸収損失が高いため、光利用効率の向上を図ることは困難である。
【００２７】
また、特許文献１に記載の偏光素子は、有機化合物により構成されており、入射方向に関係なく広い角度トレランスを有する。このため、本偏光素子においても、上述のような角度トレランスの問題は生じない。しかし、有機フィルムは耐熱性および耐光性が低いため、特許文献１に記載の偏光素子をＬＥＤ等の固体光源の発光面近傍に配置すると、熱により特性が変化し、十分な偏光分離特性を得られない。
【００２８】
特許文献１に記載の２つの偏光素子として、無機物よりなる偏光子、すなわち、図７Ａおよび図７Ｂに示すような特性を有する偏光子を用いれば、耐熱性および耐光性を向上させることが可能である。しかし、この場合には入射方向に関係なく広い角度トレランスを実現することは不可能である。この構成では、第１および第２の波長板の間に面内位相差に比べて厚み方向に大きな位相差を有する波長板が配置されており、この波長板は入射角の小さい光に対しては偏光を回転するが、入射角の大きい光に対しては偏光を維持する。したがって、図７Ｂのようにｙｚ面内方向から４０°以上の角度で第１の偏光子に入射したＴＥ光は偏光方向が維持されたまま波長板を透過する。第２の偏光子は第１の偏光子とは透過軸の方向が直交しているので、上記のように第１の偏光子および波長板を透過した「ＴＥ光」は第２の偏光子に対しては透過軸と平行な偏光、すなわちＴＭ光にあたり、第２の偏光子を透過することとなる。
【００２９】
すなわち、特許文献１に記載の構成は、有機フィルムのような、入射方向に関係なく、広い角度トレランスを有する偏光子を用いることが前提条件となっており、角度トレランスが狭い無機物からなる偏光子を使用した場合には、素子全体としての角度トレランスも同様に狭いものとなる。
【００３０】
本発明の目的は、光吸収損失が小さく、入射方向に関係なく広い角度トレランスを有する、耐熱性および耐光性に優れた偏光素子およびそれを備えた光源ユニットを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００３１】
上記目的を達成するため、本発明の偏光素子は、それぞれが面内方向に透過軸を有し、該透過軸が互いに交差するように対向して配置された、無機物よりなる第１および第２の偏光子と、
前記第１および第２の偏光子の間に設けられ、入射した直線偏光の偏光方向を回転させる、無機物よりなる波長板と、を有し、
前記第１および第２の偏光子はそれぞれ、偏光方向が前記透過軸と平行な光を透過させ、偏光方向が前記透過軸と直交する光を反射する周期構造を有し、
前記第１または第２の偏光子の側から見た場合に、前記波長板の遅軸または速軸は、前記第１の偏光子の前記透過軸および前記第２の偏光子の前記透過軸の間に位置するように構成されている。
【００３２】
本発明の光源ユニットは、
発光部を備え、該発光部からの光が表面より出射される発光素子と、
前記発光素子の前記表面と対向する位置に設けられた上記の偏光素子と、を有し、
前記発光素子は、前記発光部の前記表面とは反対の側に、前記発光部側から入射した光を前記発光部側へ反射する反射手段を有するように構成されている。
【発明の効果】
【００３３】
本発明によれば、第１および第２の偏光子は、無機物の周期構造より構成される。無機物の周期構造の偏光子は、耐熱性および耐光性に優れており、しかも、ワイヤグリッド構造の偏光子に比べて光吸収損失が小さいという効果を奏する。
【００３４】
また、第１および第２の偏光子が互いの角度トレランスの不足を補うように構成されているので、偏光素子全体として、入射方向に関係なく、広い角度トレランスを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明の一実施形態である偏光素子の構成を示す模式図である。
【図２】図１に示す偏光素子を構成する偏光子の誘電体微細構造の一例を示す模式図である。
【図３】図１に示す偏光素子を備えた光源ユニットの一例を示す模式図である。
【図４】図１に示す偏光素子を備えた別の光源ユニットを示す模式図である。
【図５】図１に示す偏光素子を備えた他の光源ユニットを示す模式図である。
【図６】偏光ＬＥＤの一例を示す模式図である。
【図７Ａ】図６に示した偏光子のｘｚ面内方向における入射角の変化に対するＴＭ偏光およびＴＥ偏光それぞれの透過率の変化を示す特性図である。
【図７Ｂ】図６に示した偏光子のｙｚ面内方向における入射角の変化に対するＴＭ偏光およびＴＥ偏光それぞれの透過率の変化を示す特性図である。
【発明を実施するための形態】
【００３６】
次に、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
【００３７】
図１は、本発明の一実施形態である偏光素子の構成を示す模式図である。
【００３８】
図１を参照すると、偏光素子は、対向して配置された２枚の偏光子１、２と、これら偏光子の間に設けられた１／２波長板３とを有する。以下の説明において、ｘｚ面に平行な偏光成分をＰx波（またはＰｘ偏光）と呼び、ｙｚ面に平行な偏光成分をＰｙ波（またはＰｙ偏光）と呼ぶ。
【００３９】
偏光子１は、Ｐｙ偏光を反射し、Ｐｘ偏光を透過させる特性を有する。これとは逆に、偏光子２は、Ｐｘ偏光を反射し、Ｐｙ偏光を透過させる特性を有する。偏光子１、２はいずれも、屈折率が異なる複数の誘電体膜を交互に積層した積層部を所定の間隔（波長以下の間隔）で周期的に形成した誘電体微細構造を有するが、透過軸が互いに交差（または直交）するように配置されている。
【００４０】
図２に、偏光子１の誘電体微細構造の一例を示す。図２に示すように、誘電体微細構造は、ガラス基板５上にＴｉＯ2膜６およびＳｉＯ2膜７を交互に積層した積層部よりなる。積層部は、所定の間隔ｄでｘ方向に周期的に形成されている。所定の間隔ｄは、光源の波長以下の間隔であり、例えば、２００ｎｍである。積層部のｘ方向の幅（長さ）ｄ１は例えば８０ｎｍであり、ｙ方向の幅（長さ）ｄ２は例えば１２０ｎｍである。このような誘電体微細構造は、フォトリソグラフィーを用いた製造プロセスにより作製することができる。
【００４１】
図２に示した誘電体微細構造を備えた偏光子１は、積層部の周期方向（ｘ方向）に透過軸を有する。偏光子１において、ｘｚ面内方向における入射角の変化に対するＰｘ偏光およびＰｙ偏光それぞれの透過率の変化を示す特性は、図７Ａに示したような特性となる。また、ｙｚ面内方向における入射角の変化に対するＰｘ偏光およびＰｙ偏光それぞれの透過率の変化を示す特性は、図７Ｂに示したような特性となる。
【００４２】
上記の特性によれば、偏光子１は、Ｐｘ偏光に対しては、入射方向に関係なく、広い角度トレランスを有するが、Ｐｙ偏光に対しては、ｙｚ面内方向における入射角の変化に対して、十分な角度トレランスを有していない。このため、ｙｚ面内方向における入射角が大きなＰｙ偏光は偏光子１を透過する。
【００４３】
偏光子２も、図２に示した誘電体微細構造を備えるが、積層部の周期方向（透過軸）がｙ方向となるように構成されている。偏光子２において、ｘｚ面内方向における入射角の変化に対するＰｘ偏光およびＰｙ偏光それぞれの透過率の変化を示す特性は、図７Ｂにおいて、Ｐｘ偏光およびＰｙ偏光の関係を反対にしたような特性となる。ｙｚ面内方向における入射角の変化に対するＰｘ偏光およびＰｙ偏光それぞれの透過率の変化を示す特性は、図７Ａにおいて、Ｐｘ偏光およびＰｙ偏光の関係を反対にしたような特性となる。
【００４４】
上記の特性によれば、偏光子２は、Ｐｙ偏光に対しては、入射方向に関係なく、広い角度トレランスを有するが、Ｐｘ偏光に対しては、ｘｚ面内方向における入射角の変化に対して、十分な角度トレランスを有していない。このため、ｘｚ面内方向における入射角が大きなＰｘ偏光は偏光子２を透過する。
【００４５】
１／２波長板３は、例えば、無機の一軸性の結晶（例えば、結晶の光学軸に平行にカットしたもの）よりなる。一般に、一軸性の結晶において、光学軸とそれに直交する軸を速軸および遅軸と呼ぶ。負の一軸性の結晶の場合は、その光学軸が速軸とされ、正の一軸性の結晶の場合は、その光学軸が遅軸とされる。
【００４６】
本構成においては、１／２波長板３は、広い角度トレランスを有することが必要である。ここで、１／２波長板３の角度トレランスとは、十分な位相差作用を維持することができる入射角度の許容度を示す。
【００４７】
一般に１／２波長板３の厚さｔは、遅軸方向および速軸方向における屈折率をそれぞれｎx、ｎyとし、入射光の波長をλとすると、以下の式により与えられる。
【００４８】
【数１】
2013007829.tif 000003
【００４９】
ここで、ｍは正の整数である。
【００５０】
ｍの値が小さいほど角度トレランスは大きくなることから、ｍ＝１とすることが望ましい。この場合、１／２波長板３の厚さｔはλ／｛２（ｎx−ｎy）｝となり、ｘｚ面内およびｙｚ面内のいずれの方向においても、十分に広い角度トレランスを得ることができる。
【００５１】
また、上記の式を満たす１／２波長板３の角度トレランスは、偏光子１、２それぞれの角度トレランスよりも大きくなる。
【００５２】
偏光子１側または偏光子２側から１／２波長板３を見た場合、１／２波長板３の遅軸または速軸は、偏光子１の透過軸と偏光子２の透過軸との間に位置する。
【００５３】
１／２波長板３は、例えば、誘電体よりなる凸部を所定の間隔（可視光の波長以下の間隔）で形成した周期構造を有するものであってもよい。凸部は、誘電体多層であってもよい。誘電体多層を構成する誘電体として、ＳｉＯ2、ＴｉＯ2、ＳｉＮx、Ｎｂ2Ｏ54などを用いることができる。
【００５４】
次に、本実施形態の偏光素子の動作原理を説明する。本実施形態の偏光素子は、偏光子１側の面および偏光子２側の面のどちらが入射面とされてもよいが、以下の説明では、固体光源からの光が偏光子１側の面に入射するものと仮定する。加えて、偏光子１の透過軸と偏光子２の透過軸は直交し、偏光子１側から見た場合に、１／２波長板３の遅軸または速軸が偏光子１、２の透過軸と４５°で交わるように設定されているものと仮定する。偏光子１、２はいずれも同じ構造を有し、したがって図７Ａおよび図７Ｂに示した特性を有するとする。ただし先に述べたように偏光子１と２は透過軸が直交するように配置されていることから、偏光子１はｘｚ面内方向から入射した光に対する特性が図７Ａ、ｙｚ面内方向から入射した光に対する特性が図７Ｂになるのに対し、偏光子２はそれとは逆にｘｚ面内の入射光に対して図７Ｂ、ｙｚ面内の入射光に対して図７Ａの特性を有することになる。
【００５５】
まず、偏光子１にｘｚ面内方向から入射した光に対する動作を説明する。
【００５６】
偏光子１に入射した光のうち、Ｐｘ偏光は偏光子１を透過し、Ｐｙ偏光は偏光子１によって固体光源側へ反射される。
【００５７】
偏光子１を透過したＰｘ偏光は、１／２波長板３に入射する。１／２波長板３は、入射したＰｘ偏光の偏光方向を９０°回転させるように作用するので、偏光子１からのＰｘ偏光は１／２波長板３によってＰｙ偏光に変換される。１／２波長板３から出射したＰｙ偏光は、偏光子２を透過する。
【００５８】
次に、偏光子１にｙｚ面内方向から入射した光に対する動作を説明する。この場合もＰｘ偏光については上記のｘｚ面内から入射した光と同様に本偏光素子透過する。一方、
Ｐｙ偏光については、０から４０°の入射角の場合は上記のｘｚ面内から入射した光と同様に偏光子１に対して反射されるが、４０°以上の入射角の光に対しては、図７Ｂに示したように、十分な反射特性を有さないため、一部は偏光子１によって固体光源側へ反射されるが、一部は偏光子１を透過する。
【００５９】
この偏光子１を透過した一部のＰｙ偏光は、１／２波長板３によってＰｘ偏光に変換され、偏光子２に入射する。偏光子２は偏光子１とｙｚ面内に対する特性が図７Ａに示したものとなるため、ＴＥ光に対して十分なトレランスを示す。したがって前記の１/２波長板３でＰｘに変換された光は偏光子２で反射される。その後、１／２波長板３に戻り、Ｐｙ偏光に変換され、偏光子１を透過して固体光源へ向かう。
【００６０】
先に述べたように、本偏光素子では偏光子１と２は透過軸が直交するように配置されていることから、ｘｚ面とｙｚ面の入射方向に対する特性が逆になる。これによりそれぞれ片方の方向に対する角度トレランスの不足を、他方の広い角度トレランスで補うことが可能となり、偏光素子全体として、入射方向に関係なく、広い角度トレランスを得ている。
【００６１】
より詳細には、本偏光素子は全体として、ｘｚ面内、ｙｚ面内のいずれの光入射方向に対しても、同じ特性を示す。その特性はＰｘ偏光に対しては図７Ａと図７ＢのＴＭに対する特性を掛け合わせたもの、Ｐｙに対してはＴＥに対する特性を掛け合わせたものとなり、十分に広いトレランスが実現される。
【００６２】
なお、本実施形態の偏光素子において、固体光源からの光が偏光子２側から入射した場合も、上記と同様に作用効果を奏する。ただし、この場合は、ＰｘとＰｙの関係は逆になる。すなわち、入射角の大きなＰｘ偏光の一部が偏光子２を透過し、その透過したＰｘ偏光が、１／２波長板３によってＰｙ偏光に変換された後、偏光子１にて１／２波長板３側へ反射される。偏光子１で反射されたＰｙ偏光は、１／２波長板３によってＰｘ偏光に変換された後、偏光子２を透過して固体光源側へ向かう。
【００６３】
次に、本発明の偏光素子を備えた光源ユニットについて説明する。
【００６４】
図３に、光源ユニットの一例を示す。図３を参照すると、光源ユニットは、ＬＥＤ２００と、ＬＥＤの発光面に近接して配置された偏光素子２０１と、ＬＥＤ２００と偏光素子２０１の間に設けられた１／４波長板１０５とを有する。
【００６５】
ＬＥＤ２００は、サブマウント１００上に、反射層１０１、Ｐ型層１０２、活性層１０３、ｎ型層１０４が順に積層された積層構造部を有する。サブマウント１００、反射層１０１、Ｐ型層１０２、活性層１０３、ｎ型層１０４、および１／４波長板１０５は、図６に示したものと同じである。ＬＥＤ２００のｎ型層１０４側の面が出射面である。
【００６６】
偏光素子２０１は、図１に示した偏光子１、２および１／２波長板３を有し、ＬＥＤ２００の出射面と対向する位置に配置されている。
【００６７】
図３に示した光源ユニットでは、ＬＥＤ２００からの光は１／４波長板１０５を介して偏光素子２０１に入射する。また、偏光素子２０１にて反射された光は、１／４波長板１０５を介してＬＥＤ２００に入射する。ＬＥＤ２００、１／４波長板１０５、偏光素子２０１の動作は、前述した通りである。
【００６８】
偏光素子２０１を構成する２つの偏光子および１／４波長板３はいずれも無機材料より成っているので、耐熱性および耐光性に優れており、上記例のようにＬＥＤ等の固体光源の発光面に近接して配置しても特性の劣化が生じない。また従来の誘電体からなる偏光子と比べて角度トレランスが大きく、さらにワイヤグリッド偏光子に比べて光吸収損失が小さい。したがって本構成ではこれらの偏光子を用いた場合に比べて、光利用効率を向上することができる。
【００６９】
次に、本発明の偏光素子を備えた別の光源ユニットについて説明する。
【００７０】
図４に、別の光源ユニットの構成を示す。図４に示す光源ユニットは、１／４波長板１０５とＬＥＤ２００の間に設けられた角度フィルタ１０７を有し、この点が図３に示した光源ユニットと異なる。角度フィルタ１０７以外の構成は、図３に示したものと同じである。
【００７１】
角度フィルタ１０７は、ＬＥＤ２００の出射面から出射された光の方向がその出射面の垂線に沿った方向へ近づくように角度変換を行うためのものであって、例えば回折格子よりなる。例えば、本光源ユニットをプロジェクタ等の表示装置に適用した場合に、光源ユニットの出射光が効率的に光学系に入射するように、角度フィルタ１０７による角度の調整範囲が設定される。
【００７２】
図４に示した光源ユニットでは、ＬＥＤ２００からの光は角度フィルタ１０７および１／４波長板１０５を介して偏光素子２０１に入射する。また、偏光素子２０１にて反射された光は、角度フィルタ１０７および１／４波長板１０５を介してＬＥＤ２００に入射する。ＬＥＤ２００、１／４波長板１０５、偏光素子２０１の動作は、前述した通りである。
【００７３】
偏光素子２０１は、先に述べたように図７Ａと図７ＢのＴＭ同士、ＴＥ同士をそれぞれ掛け合わせた特性を有する。上記の例では、ＴＭ偏光はＰｘ偏光の入射光に対応し、ＴＥ偏光はＰｙ偏光の入射光に対応する。したがって、偏光素子２０１は、あらゆる入射角のＰｙ偏光を反射する。一方、Ｐｘ偏光については、７０°程度から除々に透過率は下がるものの、全入射角度範囲に渡って偏光素子２０１を透過する。
【００７４】
これに対し、例えばプロジェクタで利用できる光が、光源ユニットから６０°内で出射された範囲だとすると、６０°以上の透過光は利用されず、無駄が生じる。そこで、上記例のように角度フィルタ１０７で透過光の角度を制限し、それを越える角度の光をＬＥＤ側に反射して再利用することにより、この無駄を防止することが可能となる。なお、この場合、ＬＥＤでの反射時に光の角度が変化する必要が生じる。この角度変化は、一般には、ＬＥＤの内部の構造により行われるが、それが不十分な場合には、ＬＥＤ２００と角度フィルタ１０７の間に、回折格子などの光学素子を挿入することで角度変化を生じさせることが可能である。
【００７５】
次に、本発明の偏光素子を備えた他の光源ユニットについて説明する。
【００７６】
図５に、他の光源ユニットの構成を示す。図５に示す光源ユニットは、１／４波長板１０５を削除し、ｎ型層１０４の表面を粗面１０４とした点が図３に示した光源ユニットと異なる。
【００７７】
図５に示した光源ユニットでは、ＬＥＤ２００の粗面１０４ａから出射した光は偏光素子２０１に入射する。また、偏光素子２０１にて反射された光は、ＬＥＤ２００の粗面１０４ａに入射する。ＬＥＤ２００、１／４波長板１０５、偏光素子２０１の動作は、前述した通りである。
【００７８】
ｎ型層１０４の粗面１０４ａは、不規則な凹凸形状の面であって、入射する光を拡散する作用および入射する直線偏光を無偏光に変換する作用を有する。したがって、１／４波長板がなくても偏光子２０１から入射したＰｙ偏光が、ＬＥＤ２００での反射の過程でＰｙ偏光とＰｘ偏光の各成分を概ね半分ずつ有する無偏光に変換されて偏光子２０１に再入射し、そのうちＰｘ偏光は偏光素子２０１を透過することとなる。これを繰り返すことにより光の大部分がＰｘ偏光として透過される。
【００７９】
以上説明した実施形態の偏光素子は、本発明の一例であって、その構成は、発明の趣旨を逸脱しない範囲で、当業者が理解し得る変更を適用することができる。
【００８０】
例えば、図１に示した構成において、偏光子１、２と１／２波長板３とは密着しているが、偏光子１、２と１／２波長板３との間に空気層または中間層が介在してもよい。
【００８１】
また、偏光子としては、図３のように誘電体多層膜が周期的に形成された構造の他に、周期的な凹凸が形成された基板上に、誘電体多層膜がその凹凸構造を保ったまま積層されたような、いわゆるフォトニック結晶構造であっても良い。
【符号の説明】
【００８２】
１、２  偏光子
３  １／２波長板
【図１】
2013007829.tif 000004
【図２】
2013007829.tif 000005
【図３】
2013007829.tif 000006
【図４】
2013007829.tif 000007
【図５】
2013007829.tif 000008
【図６】
2013007829.tif 000009
【図７Ａ】
2013007829.tif 000010
【図７Ｂ】
2013007829.tif 000011